Introduction
Materials and Methods
점토 객토의 투수 저감 효과
물절약 처리별 벼 생육반응
토양 및 식물체 분석
통계 분석
Results
점토 객토의 투수 저감 효과
물절약 처리시 벼 생육반응
물절약 처리별 효과 비교
Discussion
점토 객토시 침투율 저감 효과
부분담수에 의한 물절약 벼 재배
Introduction
UAE는 연강수량 100 mm 이하의 고온건조 기후대이며 알칼리성 사질 토양이 주로 분포하기 때문에 벼 재배에 열악한 환경이나 쌀 소비량이 735 × 109 톤으로 1,650 × 109 톤을 소비하는 밀 다음으로 많기 때문에 식량안보 차원에서 벼에 대한 관심이 크다 (FAO, 2008; Shabbir et al., 2014; USDA FAS, 2019). 농촌진흥청은 UAE와 국제협력의 일환으로 사막 벼 재배기술을 개발하고 있으며 2020년 5월 담수 재배를 통해 UAE 현지에서 벼 재배에 성공하였다고 보고한 바 있다 (Jung, 2021). 담수 재배는 가장 일반적인 벼 재배방법이나 물이 부족한 고온건조 기후대에는 적용이 곤란하므로 물절약 벼 재배방법의 도입이 필요하다.
물소모량을 줄이는 벼 재배방법은 비담수 재배방식으로 밭 벼 재배 (upland rice)와 호기적 벼 재배 (aerobic rice)라는 용어로 구분되어 표현된다. 호기적 벼 재배방법은 물을 절약하면서도 높은 수량을 얻을 수 있는 벼 재배 방법으로 담수 재배에 물 소모량은 절반 정도를 사용하면서 물 생산성은 60% 이상 높일 수 있으며 (Amudha et al., 2009) 평균 수량은 ha당 5 - 6톤, 품종에 따라서는 8톤 이상까지도 보고되고 있다 (Nie et al., 2012; Jana et al., 2018). 호기적 벼 재배의 적지는 벼에 수분을 잘 공급할 수 있는 토심이 깊고 균평이 잘 된 곳이며, 피해야 할 토양은 염류토양과 알칼리성 토양으로 알려져 있다 (Jana et al., 2018). 염류토양에서는 삼투압 과다에 의한 물 흡수 장애가 일어날 수 있으며, 알칼리성 토양에서는 인산, 철 등의 양분의 유효도가 떨어지며, 암모늄이 암모니아로 휘산되어 요소 등 질소 비료 이용률이 낮아진다 (Weil and Brady, 2017).
UAE에서 주로 분포하는 토양대군은 토리쌈엔츠 (Torisamments), 하플로칼시즈 (Haplocalcids), 하플로캠비즈 (Haplocambids)의 순이다 (Shabbir et al., 2014). 농업에 가장 적합한 토양은 하플로캠비즈이나 이미 다양한 용도로 활용되고 있기 때문에 분포면적으로 볼 때 하플로칼시즈에서 재배가 가능한 기술을 개발해야 할 것이다. 하플로캘시즈는 탄산칼슘의 함량이 높은 알칼리성 사질토양으로 양수분의 보유능과 양분의 유효도가 낮아 호기적 벼 재배를 하기 어려운 조건이므로 담수 재배를 하되 물소모를 최소화할 필요가 있다. 담수 벼 재배시 물이 많이 소모되는 이유는 담수기간 투수가 발생하고 증산량이 적은 생육 초기 수면 증발이 발생하기 때문임으로 투수되지 않을만큼 관수하고 생육 초기 담수면적을 줄여 수면 증발을 최소화하면 물절약이 가능할 수 있다 (Wei et al., 2015). 사질토양에서 지하배수를 줄이고 양수분의 보유능을 높이기 위한 가장 대표적인 방법은 점토 객토이다 (RDA, 2021). 그러나 UAE에는 객토원으로 활용가능한 식양질 내지 식질의 토양이 거의 분포하지 않기 때문에 새로운 객토원의 발굴이 필요하다. 벤토나이트는 스멕타이트계의 점토로 CEC가 크고 팽창성이며 시추 머드나 방수제로 사용되는 자재로 양수분 보유능을 높이고 투수성을 낮추는 목적에 부합하면서도 저렴한 원료이다 (Neuendorf et al., 2005).
본 연구에서는 UAE의 알칼리성 사질토양에서 물절약 벼 재배기술의 개발을 위해 벤토나이트 점토 객토에 의한 투수성 저감 효과를 평가하고 알칼리성 사질토양에서 벼 수량반응을 평가하여 물절약 재배기술의 적용성을 평가하였다.
Materials and Methods
점토 객토의 투수 저감 효과
UAE에서 벼 재배기술 연구는 알다이드시에 소재한 기후변화환경부 농업혁신센터 (Innovation Center of Ministry of Climate Change and Environment, N 25° 27', E 55° 87') 시험포장에서 수행하였다. 시험포장의 토양특성은 2020년 현지에서 채취한 토양을 국내로 반입하여 토성과 화학성을 분석하였다 (Table 1). 시험토양의 투수 특성은 현장에서 한계 침투율 (limited infiltration rate)로 평가하였다. 점토 함량에 따른 한계 침투율 변화를 모사하기 위해 인공 극세사 (50 - 100 µm)와 벤토나이트 (분말)를 이용하여 점토 2.5, 5, 10, 15%인 토양을 조제하고 1:5,000 와그너 포트에 충전하였다. 처리별로 4개의 포트를 조성하여 포트별로 한계침투율을 3반복으로 조사하였다.
Table 1.
Soil characteristics of AIC, simulated alkaline sandy soil and bentonite: AIC is the agricultural innovation center in Al Dhaid, UAE and simulated alkaline soil is made of sandy soil in Saemangeum with CaCO3.
물절약 처리별 벼 생육반응
현지 시험포장과 유사한 토양 환경을 조성하기 위해 양질사토인 국립식량과학원 새만금간척지 광활시험지 포장에서 채취한 건토 4 kg에 탄산칼슘 400 g을 섞은 후 1:5,000 와그너 포트에 충전하였다. 조제한 토양의 pH는 9.2로 현지 포장의 pH 9.7보다 약간 낮았다 (Table 1). 시험장소는 강우가 거의 없는 조건고려하여 새만금간척지 광할시험지의 비가림하우스에서 수행하였다. 시험품종은 신동진이었으며 강우가 거의 없는 현지 조건을 고려하여 비가림 하우스에서 실험을 수행하였다. 2021년 6월 30일에 포트당 2주, 주당 3본을 이앙하였고 10월 13일 수확하였다. 처리별 생육반응을 조사하기 위해 담수 불투수 재배 (paddy and pan, PP), 고랑 재배 (furrow, F), 고랑 불투수 재배 (furrow and pan, FP), 벤토나이트 객토 고랑 재배 (furrow and bentonite, FB)의 4가지 기술을 적용하였으며 처리당 5개 포트를 조성하였다. PP와 FP는 와그너 포트 하단의 배수구를 고무마개로 막았으며 F와 FB는 양파망으로 배수구를 막았다. FB는 조제 토양 2 kg을 심토에 충전 후 조제 토양 2.4 kg에 벤토나이트 240 g을 혼합 후 표토로 충전하였다. 용수 공급은 비가림내 기준증발산량을 5 mm day-1, 작물계수는 PP는 전 작기 1.1, F, FP, FB는 생육초기 0.4, 신장기 0.7, 최성기 이후 1.1을 가정하여 주 2 - 3회 공급하되 PP의 경우 증발이 많아 담수심이 낮은 경우 추가로 공급하였다. 비료는 N:P:K = 15-5.4-6.8 kg 10a-1을 공급을 가정하여 주 2회 관비로 공급하였다. F, FP, FB는 폭과 깊이가 8 cm 내외인 고랑을 내어 고랑에 이앙하고 고랑에 관수하였다. 처리별로 작기간 공급된 총 용수량을 산정하였으며 물이용효율은 공급된 물량에 대한 정조중의 비로 산출하였다.
토양 및 식물체 분석
한계 침투율은 미니 원판 침투율계 (mini disk infiltrometer, METER, USA)로 측정하였다. 미니 원판 침투율계는 시간당 토양에 침투하는 물량을 이용하여 Zhang (1997)이 제안한 2항 방정식으로 한계 침투율을 구하는 방식으로 이 때 한계 침투율은 표토의 포화수리전도도에 수렴한다 (Reynolds and Elrick, 1990). 토양 분석은 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 토성, pH1:5, EC1:5, 유기물, 유효인산, 교환성 양이온을 분석하였다. 식물체는 이앙 50일 후 초장과 주당 분얼수를 조사하였으며 수확 시 생체중, 이삭 수, 정조중, 정조중을 측정하였다. 수확기 식물체 양분함량은 볏짚과 정조로 나누어 질소, 인산, 칼리 함량을 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 산정하였다.
통계 분석
객토시 점토 함량에 따른 한계 침투율의 상관관계를 분석하기 위해 한계 침투율을 로그값으로 변환하여 평가 후 회귀식을 산출하였다. 회귀식은 엑셀 2016 (Microsoft, USA)을 이용하여 도출하였다. 물절약 처리가 생육반응, 식물체 양분함량에 미치는 영향은 분산분석으로 검정하였다. 유의성은 α = 0.05를 기준으로 검정하였으며 SAS Enterprise Guide 7.13 HF4 (SAS Institute Inc., USA)를 이용하였다.
Results
점토 객토의 투수 저감 효과
UAE 현지 시험연구포장의 토성은 표토 (0 - 20 cm)는 양질사토이며 심토 (20 - 40cm)는 사토이다. 표토의 한계침투율은 667 mm day-1이었다. 모사 토양에서 벤토나이트 점토 2.5%일 때 한계침투율은 833 mm day-1로 현지 토양과 유사하였으며, 점토 5, 10, 15%일 때 120, 6.2, 2.4 mm day-1로 점토 함량에 따라 감소하였다 (Fig. 1). 점토 함량과 한계침투율의 관계는 점토 함량 증가에 따른 한계침투율 로그값이 지수적으로 감소하는 관계로 평가되었다. 모사 토양을 이용한 점토 함량과 한계 침투율의 관계식에서 한계침투율 667 mm day-1일 때의 점토 함량은 2.8%이며, 벤토나이트로 점토 함량이 5% 증가하도록 객토시 한계침투율은 17.0 mm day-1, 점토 함량이 10% 증가하도록 객토시 1.7 mm day-1까지 한계침투율이 감소할 것으로 예측되었다.
물절약 처리시 벼 생육반응
처리별 중간 생육을 조사한 결과 알칼리성 사질 토양에서 PP, FP, FB에서는 전 개체가 생존하였으나 F에서는 40%가 고사하였다. 생존 개체를 대상으로 한 초장을 조사한 결과 PP, F, FP, FB에서 각각 65.4, 57.6, 59.3, 61.2 cm였으며 처리간 유의한 차이는 발견되지 않았다 (Fig. 2). 반면 분얼수는 주당 16.0개인 PP에 비해 다른 처리들은 4.4 - 6.8로 유의하게 작았다. 이는 이앙시 3본 1주로 심었음을 반영하면 비담수 고랑 재배시 분얼이 본당 1.3개 이하임을 의미한다.
수확 시 생육조사 결과 생체중은 주당 30.8 g이었던 PP에 비해 다른 처리들은 11.7 - 13.2 g으로 유의하게 작았다 (Fig. 3). 주당 이삭수는 생체중과 유사한 경향을 나타내었다. 주당 정조중은 1.3 g으로 적었던 F를 제외하고 PP, FP, FB는 2.8 - 3.5 g으로 유사하였으나 표준편차는 FB에서 다른 처리에 비해 절반 이하였다. 이삭당 정조중은 FB에서 0.90 g으로 PP나 F에 비해 3배 가까이 컸다.
수확 시 양분함량을 조사한 결과 정조의 질소, 인산, 칼리 함량은 처리간에 유의성 있는 차이가 발견되지는 않았으나 표준편차는 질소, 인산, 칼리 모두 FB 처리에서 가장 작았다 (Fig. 4). 볏짚의 경우 PP에서 질소, 인산, 칼리가 1.8, 0.35, 2.1%로 평가된 반면 FB에서는 질소, 인산, 칼리가 1.3, 0.25, 0.82%로 PP의 40 - 72%만이 남아있었다. 특히, FB의 칼리 함량은 F, FP의 칼리 함량과 비교하여도 유의하게 적은 것으로 나타났다.
물절약 처리별 효과 비교
작기간 소비된 물 소모량은 PP 1,020 mm였으며 F, FP, FB는 568 - 587 mm로 고랑재배시 담수재배보다 42 - 44%의 용수를 절약할 수 있었다 (Fig. 5). PP는 전 기간 담수를 유지하였고 FP와 FB는 1일 정도 고랑에만 부분적으로 담수가 유지되었으며 F는 수분 이내에 토양으로 용수가 침투되었다. PP의 수량을 기준으로 한 상대 수량에서 F는 35.9%에 불과하였으나 FP와 FB는 각각 84.1, 78.9%의 상대 수량을 나타내어 F와 비교하여 2배 이상의 생산성을 나타내었다. PP의 물이용효율을 기준한 상대 물이용효율에 있어 F는 63.0%로 PP보다도 물이용효율이 낮은 것으로 평가되었으나 FP와 FB는 상대 물이용효율이 각각 146, 142%로 PP에 비해 현격히 높은 물이용효율을 나타내었다.
Fig. 5.
Water consumption (a), relative productivity (b) as a ratio of unhulled grain in each treatment to that in PP, and relative water use efficiency (c) as a ratio of water use efficiency (WUE) in each treatment to that in PP. Here, PP, F, FP, and FB mean paddy rice with pan, furrow cultivation, furrow cultivation with pan, and furrow cultivation with bentonite dressing.
Discussion
점토 객토시 침투율 저감 효과
토양은 여러 가지 성분으로 이루어진 다공성 자연체로 토양의 수리적 특성은 공극의 크기, 길이, 굴곡도에 따라 결정된다 (Koorevaar et al., 1983). 공극의 크기, 길이, 굴곡도는 토양 구조, 다짐 정도 등 토양 입자의 조립 방식과 입도 분포, 유기물 함량 등 입자 성분비에 영향을 받는다. 수리적 특성 중에서 한계침투율은 표토의 포화수리전도도에 수렴하며 포화수리전도도는 점토 함량의 증가에 따라 지수적으로 감소한다고 알려져있다 (Campbell, 1985; Hillel, 1998). 우리나라의 경우 포화수리전도도와 상관성이 가장 큰 입자는 논토양과 산림토양에서는 점토로 점토함량 증가에 따라 포화수리전도도가 지수적으로 감소하였고 밭토양의 표토에서는 모래와 유기물이 포화수리전도도와 가장 큰 상관관계를 보였다 (Jung et al., 2015, 2016). 그러나 압밀의 영향이 큰 밭토양 심토나 칼슘의 용해로 대공극이 형성되는 석회암 지대 토양에서는 입도 분포와 유의한 상관관계가 나타나지 않았다 (Hur et al., 2009; Jung et al., 2016). 본 연구에서는 점토 함량 증가에 따라 한계침투율의 로그값이 지수적으로 감소하였는데 이는 일반적으로 알려진 결과보다 한계침투율이 급격하게 감소한 것이다. 본 연구에서 사용된 벤토나이트는 염도와 pH가 높아 일반적인 토양에서 토양개량제로 적절한 물질은 아니나 비표면적이 넓은 팽창성 점토로 많은 양의 물을 머금기 때문에 시추 머드나 방수재로 사용된다 (Table 1, Neuendorf et al., 2005). 이와 같은 강한 팽창성으로 인해 용수 침투시 공극을 막아 침투율을 급격히 저감한 것으로 판단되며 UAE 등 사질 토양에서 벼 재배를 위한 객토원으로 사용이 가능할 것으로 사료된다.
부분담수에 의한 물절약 벼 재배
농촌진흥청은 UAE와의 국제 농업기술 협력사업의 일환으로 사막에서의 벼 재배 연구를 수행하고 있다 (Jung, 2021). 2019년 11월부터 2020년 5월까지 연구한 첫 해 UAE 현지에서 담수 재배로 7.6 ton ha-1의 백미를 생산하였으나 2,000 mm 이상의 용수를 사용하여 용수가격 대비 생산액이 0.27에 불과하였다 (Jung, 2021). 벼 재배시 용수를 절약하는 방법으로 밭 벼 또는 호기성 벼 재배방법이 있다. 호기성 벼는 밭 재배 방식으로 산성 또는 중성 토양에서는 적용 가능하나 알칼리 토양에서는 암모늄 휘산 등 양분 공급이 어려워 적합하지 않다 (Jana et al., 2018). 2019년 현지 시험시에도 밭 재배시 질소, 칼륨, 철 결핍으로 많은 개체가 고사하여 담수 재배로 전환하였다. 본 연구에 적용한 고랑 재배는 식물이 식재된 부분만 일시적으로 담수하여 암모니아 휘산 등 알칼리 토양 양분 문제를 억제하면서 초기 물소모량을 밭 재배에 가깝게 줄이려는 시도였으나 투수성이 큰 사질토양에서는 담수기간이 짧아 점토 객토 등 투수성을 줄이기 위한 조치가 없으면 양분 결핍에 의한 초기 고사 등으로 벼 생육이 미진하였다. 담수 벼 재배 생육초기 증산량은 증발산량의 20% 내외에 불과하며 증발량의 나머지 80%에 해당하기 때문에 담수 면적을 줄이면 용수를 절약할 수 있다 (Allen et al., 1998; Wei et al., 2015). 본 연구에서는 고랑 재배를 통해 알칼리성 사질 토양에서 40% 이상 용수를 절감하면서 정상적인 벼를 생육하였다. 그러나 담수 재배에 비해 분얼이 유의하게 적었으며 호기적 재배시 담수 재배에 비해 잡초 발생이 증가하기 때문에 실제 적용시 파종량을 늘릴 필요가 있다 (Chauhan et al., 2011). 본 연구결과를 적용하여 2021년 11월 UAE 알칼리성 사질 토양을 벤토나이트로 객토하여 벼 재배기술을 실증한 결과 담수 재배 대비 50.4% 수준의 용수를 공급하여 5.1 ton ha-1의 생산성을 얻을 수 있었으나 (unpublished data) UAE의 농업용 수도요금이 톤당 약 1,300원임을 고려할 때 경제성을 확보하기 위해서는 추가적인 기술 개발이나 농업용수에 대한 정책 전환이 필요할 것으로 판단된다.
